第2章-金屬材料的力學(xué)性能

第2章金屬材料的力學(xué)性能124332.1靜載荷作用下的力學(xué)性能2.2在動載荷作用下的力學(xué)性能2.3

金屬材料的高溫蠕變現(xiàn)象2.4

金屬材料的工藝性能下一頁返回第2章金屬材料的力學(xué)性能本章簡介:材料的力學(xué)性能指標(biāo)是機(jī)械設(shè)計、加工和使用的主要依據(jù)，本章主要介紹了金屬材料的常用力學(xué)性能指標(biāo)：強(qiáng)度、塑性、硬度、剛度、沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度。重點:常用力學(xué)性能指標(biāo)：強(qiáng)度、塑性、硬度、剛度、沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度的內(nèi)涵。難點:金屬材料的疲勞強(qiáng)度和工藝性能。下一頁返回第2章金屬材料的力學(xué)性能材料是在不同的外界條件下使用的，如在載荷、溫度、介質(zhì)、電場等作用下將表現(xiàn)出不同的行為，即材料的使用性能。使用性能主要包括：力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。力學(xué)性能是指金屬材料在外力作用下抵抗變形或破壞的能力，如強(qiáng)度、硬度、彈性、塑性、韌性等，這些性能是機(jī)械零件的設(shè)計、材料選擇和產(chǎn)品質(zhì)量控制的重要參數(shù)。上一頁返回2.1靜載荷作用下加力學(xué)性能靜載荷是指對工件或試樣緩慢加載，不隨時間而變化的量。2.1.1強(qiáng)度與塑性1.強(qiáng)度所謂材料的強(qiáng)度是指材料在達(dá)到允許的變形程度或斷裂前所能承受的最大應(yīng)力，像彈性極限、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等。在載荷作用下引起材料尺寸和形狀的改變，我們稱為變形，由變形的趨勢可將載荷分為拉伸、壓縮、剪切和彎曲等載荷形式。因此，材料的強(qiáng)度主要有抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度等形式。材料在常溫下的強(qiáng)度指標(biāo)有屈服強(qiáng)度和抗拉(壓)強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度表示材料抵抗開始產(chǎn)生塑性變形的應(yīng)力，抗拉強(qiáng)度表示材料抵抗外力而不致斷裂的最大應(yīng)力。下一頁返回2.1靜載荷作用下加力學(xué)性能要強(qiáng)調(diào)的是，通常材料的強(qiáng)度和塑性是根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T228-2002)規(guī)定進(jìn)行靜拉伸試驗測量得到的。對于塑性材料和脆性材料，兩者的拉伸曲線不同，如圖2一1所示。對于高碳鋼等一些相對脆性的金屬材料往往沒有明顯的屈服平臺，國際上規(guī)定產(chǎn)生0.2%殘余應(yīng)變時所對應(yīng)的應(yīng)力值作為其屈服極限，稱為條件屈服強(qiáng)度，記作σ0.2。在工程上，不僅需要材料的屈服強(qiáng)度高，而且還需要考慮屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值(屈強(qiáng)比)。根據(jù)不同的設(shè)備要求，其比值應(yīng)適當(dāng)。屈強(qiáng)比較小的材料制造的零件具有較高的安全可靠性，因為在工作時萬一超載，也能由于塑性變形使金屬的強(qiáng)度提高而不致立刻斷裂。但如果屈強(qiáng)比太小，則材料強(qiáng)度的利用率會降低;而屈強(qiáng)比較高，意味著材料的屈服強(qiáng)度接近于抗拉強(qiáng)度，金屬材料強(qiáng)度的有效利用率高，但可靠性較低。上一頁下一頁返回2.1靜載荷作用下加力學(xué)性能因此，過大、過小的屈強(qiáng)比都是不適宜的。常用金屬材料的屈強(qiáng)比為:碳素鋼約0.6，低合金鋼為0.65~0.75，合金結(jié)構(gòu)鋼一般為0.85左右。2.塑性塑性是指材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力，常用的塑性指標(biāo)有兩個:延伸率(ε)或斷面收縮率(ψ)。在生產(chǎn)中材料可通過局部塑性變形來削減應(yīng)力峰，緩解應(yīng)力集中，從而防止突然破壞;對于塑性較好的材料，可壓力加工成型。(1)延伸率(ε)。延伸率以試件拉斷后，總伸長的長度與原始長度的比值百分率ε(%)來表示:上一頁下一頁返回2.1靜載荷作用下加力學(xué)性能式中l(wèi)——試件斷裂后的標(biāo)距長度，mm;l0——試件原始的標(biāo)距長度，mm。延伸率的大小與試件尺寸有關(guān)，為了便于進(jìn)行比較，須將試件標(biāo)準(zhǔn)化。現(xiàn)國內(nèi)采用的拉伸試樣有:長圓試樣用l/d0=10(氏為試樣直徑)、短圓試樣用l/d0=5，分別在延伸率下標(biāo)以ε10和ε5來表示。(2)斷面收縮率(ψ)。斷面收縮率以試件拉斷后，斷面縮小的面積與原始截面面積比值的百分率ψ(%)來表示:式中A——試件斷裂后的最小截面積，mm2;A0——試件的原始截面積，mm2。上一頁下一頁返回2.1靜載荷作用下加力學(xué)性能斷面收縮率的大小與試件尺寸無關(guān)。它不是一個表征材料固有性能的指標(biāo)，但它對材料的組織變化比較敏感，尤其對鋼的氫脆以及材料的缺口比較敏感。材料的延伸率與斷面收縮率值愈大，材料塑性愈好，良好的塑性性能可使設(shè)備在使用中產(chǎn)生塑性變形而避免發(fā)生突然的斷裂。塑性指標(biāo)在機(jī)械設(shè)計中具有重要意義，有良好的塑性才能進(jìn)行成型加工，如彎卷和沖壓等，承受靜載荷的容器及零件，其制作材料都應(yīng)具有一定塑性，一般要求δ=10%~20%。在化工煉油設(shè)備中，很多零部件是長期在高溫下工作的，對于制造這些零部件的金屬材料的屈服極限、抗拉強(qiáng)度限都會發(fā)生顯著變化，如蠕變和松弛現(xiàn)象，必須考慮溫度對力學(xué)性能的影響。上一頁下一頁返回2.1靜載荷作用下加力學(xué)性能2.1.2硬度硬度是指固體材料抵抗局部變形，特別是表面局部塑性變形、壓痕或劃痕的能力。硬度是材料的一個重要指標(biāo)，試驗方法簡便、迅速，不需要破壞試件，設(shè)備也比較簡單，而且對大多數(shù)金屬材料，可以從硬度值估算出它的抗拉強(qiáng)度，因此在設(shè)計圖樣的技術(shù)條件中大多規(guī)定材料的硬度值，檢驗材料或工藝是否合格有時也需采用硬度指標(biāo)。因此硬度試驗在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。(1)劃痕硬度——莫氏硬度，主要用于比較不同礦物的軟硬程度，方法是選一根一端硬一端軟的棒，將被測材料沿棒劃過，根據(jù)出現(xiàn)劃痕的位置確定被測材料的軟硬。定性地說，硬物體劃出的劃痕長，軟物體劃出的劃痕短。上一頁下一頁返回2.1靜載荷作用下加力學(xué)性能莫氏硬度使用10種礦物來衡量世界上最硬的和最軟的物體，如金剛石的莫氏硬度為10,石膏的則為2。(2)壓入硬度，主要用于金屬材料，方法是用一定的載荷將規(guī)定的壓頭壓入被測材料，以材料表面局部塑性變形的大小比較被測材料的軟硬。由于壓頭、載荷以及載荷持續(xù)時間的不同，壓入硬度有多種，如布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等幾種。(3)回跳硬度，主要用于金屬材料，方法是使一特制的小錘從一定高度自由下落沖擊被測材料的試樣，并以試樣在沖擊過程中儲存(繼而釋放)應(yīng)變能的多少(通過小錘的回跳高度測定)確定材料的硬度。各種硬度標(biāo)準(zhǔn)的力學(xué)含義不同，相互不能直接換算，但可通過試驗加以對比。上一頁下一頁返回2.1靜載荷作用下加力學(xué)性能硬度不是金屬獨立的基本性能，而是反映材料彈性、強(qiáng)度與塑性等的綜合性能指標(biāo)。在工程材料技術(shù)中應(yīng)用最多的是壓入硬度，常用的指標(biāo)有布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HR)和維氏硬度(HV)等。所得到的硬度值的大小實質(zhì)上是表示金屬表面抵抗壓入物體(鋼球或錐體)所引起局部塑性變形的抗力大小。一般情況下，硬度高的材料強(qiáng)度高，耐磨性能較好，而切削加工性能較差。本節(jié)主要介紹壓入硬度:布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HR)和維氏硬度(HV)。1.布氏硬度(HB)以一定的載荷(一般為3000kg)把一定大小(直徑一般為10mm)的淬硬鋼球壓入材料表面，保持一段時間，去載后，負(fù)荷與其壓痕面積之比值，即為布氏硬度值，單位為N/mm2，如圖2-2所示。上一頁下一頁返回2.1靜載荷作用下加力學(xué)性能計算公式如下:式中F——試驗載荷，N;D——鋼球直徑，mm;d——壓痕直徑，mm。根據(jù)材料的情況，壓頭選擇如下。(1)壓頭為鋼球時，布氏硬度用符號HBS表示，適用于布氏硬度值在450以下的材料。(2)壓頭為硬質(zhì)合金球時，用符號HBW表示，適用于布氏硬度在650以下的材料。上一頁下一頁返回2.1靜載荷作用下加力學(xué)性能符號HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值，符號后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時120。如120HBS10/1000/30表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf(9.807kN)載荷作用下保持30s，測得的布氏硬度值為120。布氏硬度上限值為650HB，不能高于此值，否則鋼球變形或硬質(zhì)合金球的壓痕太小，誤差較大。布氏硬度主要用于測定小于450HBS的材料。根據(jù)金屬材料的種類試樣的硬度范圍和厚度的不同，按照表2一1的規(guī)范選擇試驗壓頭的直徑D,試驗力F即保持時間。布氏硬度試驗的優(yōu)點是其硬度代表性好，由于通常采用的是10mm直徑球壓頭，3000kg試驗力，其壓痕面積較大，能反映較大范圍內(nèi)金屬各組成相綜合影響的平均值，不受個別組成相及微小不均勻度的影響。上一頁下一頁返回2.1靜載荷作用下加力學(xué)性能因此特別適用于測定灰鑄鐵、軸承合金和具有粗大晶粒的金屬材料，還可用于有色金屬和軟鋼。由于布氏硬度試驗的特點是壓痕較大，由于壓痕邊緣的凸起、凹陷或圓滑過渡都會使壓痕直徑的測量產(chǎn)生較大誤差，成品檢驗有困難，因此一般不用于成品檢測，多用于原材料和半成品的檢測。實踐證明，金屬材料的各種硬度值之間，硬度值與強(qiáng)度值之間具有近似的相應(yīng)關(guān)系。根據(jù)經(jīng)驗，可用硬度近似地估計抗拉強(qiáng)度，大部分金屬的硬度和強(qiáng)度之間有如下近似關(guān)系:低碳鋼

σb(MPa)≈0.36HB;高碳鋼σb(MPa)≈0.34HB;灰鑄鐵σb(MPa)≈0.1HB。上一頁下一頁返回2.1靜載荷作用下加力學(xué)性能2.洛氏硬度(HR)當(dāng)HB>450或者試樣過小時，不能采用布氏硬度試驗而改用洛氏硬度計量，如圖2一3所示。洛式硬度是以壓痕塑性變形深度來確定硬度指標(biāo)的。它是用一個頂角為120。的金剛石圓錐體或直徑為1.588mm的淬火鋼球作壓頭，先加初載荷，再加主載荷，將壓頭壓入金屬表面，保持一定時間后卸除載荷，根據(jù)壓痕的殘余深度計算硬度值，考慮到數(shù)值越大則硬度值越大的習(xí)慣，采用一個常數(shù)K減去深度h，計算公式如下:式中h——壓痕的殘余深度，mm;K——常數(shù)(用金剛石壓頭，K=100;淬火鋼球作壓頭，K=130)。上一頁下一頁返回2.1靜載荷作用下加力學(xué)性能根據(jù)試驗材料硬度的不同，采用不同的壓頭和載荷組成幾種不同的洛氏硬度標(biāo)尺，并用字母在HR后加以注明，常用的洛氏硬度是HRA,HRB和HRC三種。(1)HRA:是采用60k;載荷和鉆石錐壓入器求得的硬度，用于硬度極高的材料(如硬質(zhì)合金等)。(2)HRB:是采用100kg載荷和直徑1.58mm淬硬的鋼球，求得的硬度，用于硬度較低的材料(如退火鋼、鑄鐵等)。(3)HRC:是采用150kg載荷和鉆石錐壓入器求得的硬度，用于硬度很高的材料(如淬火鋼等)。HRC適用范圍HRC20~67，相當(dāng)于225~650HB，在一定條件下，HB與HRC可以查表互換。其心算公式可大概記為:1HRC≈

1/10HB上一頁下一頁返回2.1靜載荷作用下加力學(xué)性能洛氏硬度試驗操作簡便迅速，可直接從硬度機(jī)表盤上讀出硬度值，壓痕小，可直接測量成品或較薄工件的硬度，但由于壓痕較小，測得的數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，通常應(yīng)在試樣不同部位測定三點，取其算術(shù)平均值。3.維氏硬度維氏硬度試驗原理基本上與布式硬度相同，也是根據(jù)壓痕單位表面積上的載荷大小來計算其硬度值，所不同的是采用相對面夾角為136°的正四棱錐體金剛石作壓頭，如圖2一4所示。維氏硬度符號HV前的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)字按順序分別表示載荷值及載荷保持時間，測量極薄試樣，范圍為1~1000HV。表示方法舉例:640HV30/20表示用30kgf(294.2N)試驗力保持20s測定的維氏硬度值為640N/mm2(MPa)。上一頁下一頁返回2.1靜載荷作用下加力學(xué)性能維氏硬度法可用于測定很薄的金屬材料和表面層硬度。它具有布氏法、洛氏法的主要優(yōu)點，并克服了它們的基本缺點，但不如洛氏法簡便。2.1.3剛度材料在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力σ與應(yīng)變ε的關(guān)系服從胡克定律:σ=Eε(或

τ=Gγ)。二(或們?yōu)閼?yīng)變，即單位長度的變形量，ε=Δl/l。材料的剛度通常用彈性模量E來衡量。彈性模量是指在應(yīng)力一應(yīng)變曲線上完全彈性變形階段，應(yīng)力與應(yīng)變的比值。即

E=σ/ε剛度是指材料在受力時抵抗彈性變形的能力，它表征了材料彈性變形的難易程度。彈性模量越大，材料的剛度越大，彈性變形越不容易進(jìn)行，即具有特定外形尺寸的零件或構(gòu)件保持其原有形狀與尺寸的能力也越大。上一頁下一頁返回2.1靜載荷作用下加力學(xué)性能彈性模量的大小主要取決于金屬鍵，與顯微組織關(guān)系不大。合金化、熱處理、冷變形等對剛度的影響很小，生產(chǎn)中一般不考慮也不檢驗它的大小，金屬的彈性模量值基本上是一個定值。在材料不變的情況下，只有改變零件的截面尺寸或結(jié)構(gòu)，才能改變它的剛度。在設(shè)計機(jī)械零件時，要求剛度大的零件，應(yīng)選用具有高彈性模量的材料。鋼鐵材料的彈性模量較大，所以對要求剛度大的零件，通常選用鋼鐵材料，例如撞床的撞桿應(yīng)有足夠的剛度，如果剛度不足，當(dāng)進(jìn)給量大時撞桿的彈性變形就會大，撞出的孔就會偏小，因而影響加工精度。在彈性范圍內(nèi)對能量有很大吸收能力的零件(如儀表彈簧)，一般軟彈簧材料使用青銅、磷青銅制造，應(yīng)具有極高的彈性極限和低的彈性模量。在表2-2中列出的是常用金屬的彈性模量。上一頁返回2.2在動載荷作用下的學(xué)歷性能2.2.1沖擊韌性和斷裂韌性1.沖擊韌性(1)沖擊韌性試驗。機(jī)械零部件在使用過程中不僅受到靜載荷和動載荷作用，而且受到不同程度的沖擊載荷作用，如鍛錘、沖床、鉚釘槍等。在設(shè)計和制造受沖擊載荷的零件和工具時，必須考慮所用材料的沖擊韌性或沖擊韌度。目前最常用的沖擊試驗方法是擺錘式一次沖擊試驗，這個試驗是利用能量守恒原理在擺錘式?jīng)_擊試驗機(jī)上進(jìn)行的，其試驗原理如圖2一5所示。將被測金屬的沖擊試樣放在沖擊試驗機(jī)的支座上，缺口應(yīng)背對擺錘的沖擊方向，將重量為G的擺錘升高到H高度，使其具有一定的勢能GH，然后讓鐘擺自由落下，將試樣沖斷。下一頁返回2.2在動載荷作用下的學(xué)歷性能并繼續(xù)向另一個方向升高到h高度，此時擺錘具有剩余的勢能‘h。擺錘沖斷式樣所消耗的勢能即是擺錘沖擊試樣所做的功，用符號A、表示。其計算公式如下:AK=G(H-h)試驗時，AK值可直接從試驗機(jī)的刻度盤上讀出，AK值的大小就代表了被測金屬韌性的高低，但習(xí)慣上采用沖擊韌度來表示金屬的韌性，沖擊吸收功AK除以式樣缺口處的橫截面積S0，即可得到被測金屬的沖擊韌性或沖擊韌度，用符號aK表示。其計算公式如下:

aK=AK/S0式中aK——沖擊韌性或沖擊韌度，J/cm2;AK——沖擊吸收功，J;上一頁下一頁返回2.2在動載荷作用下的學(xué)歷性能S0——式樣缺口處橫截面積，cm2。一般來說，將aK值低的材料稱為脆性材料，aK值高的材料為韌性材料(塑性材料)。脆性材料在斷裂前無明顯的塑性變形，斷口比較平整，有金屬光澤;韌性材料在斷裂前有明顯的塑性變形，斷口呈纖維狀，沒有金屬光澤。長期生產(chǎn)實踐證明，AK,aK值對材料的組織缺陷十分敏感，能靈敏地反映材料品質(zhì)、宏觀和顯微組織方面的微小變化，因而沖擊試驗是生產(chǎn)上用來檢驗冶煉和熱加工質(zhì)量的有效辦法之一。由于溫度對一些材料的韌脆程度影響比較大，為了確定出材料由韌性狀態(tài)向脆性狀態(tài)轉(zhuǎn)化的趨勢，可分別在一系列不同溫度下進(jìn)行沖擊試驗，測定出A、值隨試驗溫度的變化情況。上一頁下一頁返回2.2在動載荷作用下的學(xué)歷性能實驗表明，AK隨溫度的降低而減小，在某一溫度范圍內(nèi)，材料的AK值急劇下降，表明材料由韌性狀態(tài)向脆性狀態(tài)轉(zhuǎn)變，此時的溫度稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度，如圖2一6所示。(2)多次沖擊。在沖擊負(fù)荷下工作的零件很少因一次大能量的沖擊而遭受破壞，絕大多數(shù)的情況是承受小能量多次沖擊，使得裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展、最后斷裂，造成零件的破壞。實踐證明，一次沖擊抗力主要取決于材料的塑性，多次小能量的沖擊抗力則取決于材料的強(qiáng)度。2.斷裂韌性前面討論的力學(xué)性能，都是假定材料是均勻、連續(xù)、各向同性的，以這些假設(shè)為依據(jù)的設(shè)計方法稱為常規(guī)設(shè)計方法。實際上，材料的組織遠(yuǎn)非是均勻、各向同性的，組織中有微裂紋。上一頁下一頁返回2.2在動載荷作用下的學(xué)歷性能還會有夾雜、氣孔等宏觀缺陷，這些缺陷可看成是材料中的裂紋。當(dāng)材料受外力作用時，這些裂紋的尖端附近便出現(xiàn)應(yīng)力集中，形成一個裂紋尖端的應(yīng)力場。根據(jù)裂紋力學(xué)對裂紋尖端應(yīng)力場的分析，裂紋前端附近應(yīng)力場的強(qiáng)弱主要取決于一個力學(xué)參數(shù)，即應(yīng)力強(qiáng)度因子K1，單位為MPa·m?=。即式中Y——與裂紋形狀、加載方式及試樣尺寸有關(guān)的量，是個無量綱的系數(shù);o——外加拉應(yīng)力，MPa;a——裂紋長度的一半，m。對某一個有裂紋的試樣(或機(jī)件)，在拉伸外力作用下，Y值是一定的。上一頁下一頁返回2.2在動載荷作用下的學(xué)歷性能當(dāng)外加拉應(yīng)力逐漸增大，或裂紋逐漸擴(kuò)展時，裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子K1

，也隨之增大;當(dāng)K1增大到某一臨界值時，試樣(或機(jī)件)中的裂紋會產(chǎn)生突然失穩(wěn)擴(kuò)展，導(dǎo)致斷裂。這個應(yīng)力強(qiáng)度因子的臨界值稱為材料的斷裂韌性或沖擊韌度，用K1c表示。斷裂韌性或斷裂韌度是用來反映材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，即抵抗脆性斷裂能力的性能指標(biāo)。當(dāng)K1<K1c時，裂紋擴(kuò)展很慢或不擴(kuò)展;當(dāng)K1c≥

K1c時，則材料發(fā)生失穩(wěn)脆斷。這是一項重要的判斷依據(jù)，可用來分析和計算一些實際問題。例如，若已知材料的斷裂韌度和裂紋尺寸，便可以計算出裂紋擴(kuò)展以致斷裂的臨界應(yīng)力，即機(jī)件的承載能力;或者已知材料的斷裂韌度和工作應(yīng)力，就可以確定材料中允許存在的最大裂紋尺寸。上一頁下一頁返回2.2在動載荷作用下的學(xué)歷性能斷裂韌性或斷裂韌度是材料固有的力學(xué)性能指標(biāo)，是強(qiáng)度和韌性的綜合體現(xiàn)。它與裂紋的大小、形狀、外加應(yīng)力等無關(guān)，主要取決于材料的成分、內(nèi)部組織和結(jié)構(gòu)。2.2.2疲勞1.疲勞現(xiàn)象許多機(jī)械零件，如軸、齒輪、彈簧等是在循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變作用下工作的。循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變是指應(yīng)力或應(yīng)變的大小、方向都隨時間發(fā)生周期性變化的一類應(yīng)力和應(yīng)變。常見的交變應(yīng)力是對稱循環(huán)應(yīng)力，其最大值

σmax和最小值

σmin的絕對值相等，即σmax/σmin=-1，如圖2-7所示。日常生活和生產(chǎn)中許多零件工作時承受的應(yīng)力值通常低于制作材料的屈服點或規(guī)定殘余伸長應(yīng)力。上一頁下一頁返回2.2在動載荷作用下的學(xué)歷性能但是零件在這種循環(huán)載荷作用下，經(jīng)過一定時間的工作后會發(fā)生突然斷裂，這種現(xiàn)象叫做金屬的疲勞。疲勞斷裂與靜載荷作用下的斷裂不同，在疲勞斷裂時不產(chǎn)生明顯的塑性變形，斷裂是突然發(fā)生的，因此具有很大的危險性，常常造成嚴(yán)重的事故。據(jù)統(tǒng)計，損壞的機(jī)械零件中80%以上是因為疲勞造成的。因此，研究疲勞現(xiàn)象對于正確使用材料，合理設(shè)計機(jī)械構(gòu)件具有重要的指導(dǎo)意義。研究表明，疲勞斷裂首先是在零件的應(yīng)力集中局部區(qū)域產(chǎn)生，先形成微小的裂紋核心，即裂紋源。隨后在循環(huán)應(yīng)力的作用下，裂紋繼續(xù)擴(kuò)展長大。由于疲勞裂紋不斷擴(kuò)展，使零件的有效工作面逐漸減小，因此，零件所受應(yīng)力不斷增加，當(dāng)應(yīng)力超過材料的斷裂強(qiáng)度時，則發(fā)生疲勞斷裂，形成最后斷裂區(qū)。疲勞斷裂的斷口如圖2-8所示。上一頁下一頁返回2.2在動載荷作用下的學(xué)歷性能2.疲勞強(qiáng)度金屬在循環(huán)應(yīng)力作用下能經(jīng)受無限多次循環(huán)而不斷裂的最大應(yīng)力值，稱為金屬的疲勞強(qiáng)度。即循環(huán)次數(shù)值N無窮大時所對應(yīng)的最大應(yīng)力值，稱為疲勞強(qiáng)度。疲勞斷裂是在循環(huán)應(yīng)力作用下，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后發(fā)生的。在循環(huán)載荷作用下，材料承受一定的循環(huán)應(yīng)力σ和斷裂時相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)N之間的關(guān)系可以用曲線來描述，這種曲線稱為σ-N曲線，如圖2-9所示。在工程實踐中，一般是求疲勞極限，即對應(yīng)于指定的循環(huán)基數(shù)下的疲勞強(qiáng)度，如對于黑色金屬，其循環(huán)基數(shù)為107，對于有色金屬，其循環(huán)基數(shù)為108。對于對稱循環(huán)應(yīng)力，其疲勞強(qiáng)度用σ-1，表示。許多實驗結(jié)果表明:材料疲勞強(qiáng)度隨著抗拉強(qiáng)度的提高而增加。上一頁下一頁返回2.2在動載荷作用下的學(xué)歷性能對于結(jié)構(gòu)鋼，當(dāng)σb≤1400N/mm2時，其疲勞強(qiáng)度σ-1

，約為抗拉強(qiáng)度的1/2。由于大部分機(jī)械零件的損壞是由疲勞造成的。消除或減少疲勞失效，對于提高零件使用壽命有著重要意義。影響疲勞強(qiáng)度的因素很多，除設(shè)計時在結(jié)構(gòu)上注意減輕零件應(yīng)力集中外，改善零件表面粗糙度，可減少缺口效應(yīng)，提高疲勞強(qiáng)度;采用表面處理，如高頻淬火、表面形變強(qiáng)化(噴丸、滾壓、內(nèi)孔擠壓等)、化學(xué)熱處理(滲碳、滲氮、碳一氮共滲)以及各種表面復(fù)合強(qiáng)化工藝等，都可以改變零件表層的殘余應(yīng)力狀態(tài)，從而使零件的疲勞強(qiáng)度提高。上一頁返回2.3金屬材料的高溫蠕變現(xiàn)象金屬材料在高溫環(huán)境下的力學(xué)性能與室溫狀態(tài)下的不同，必須考慮溫度與時間兩個因素。在高溫下，原子熱振動加劇，原子間結(jié)合力下降導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低，金屬在長時間的受力下，會隨著時間的延長緩慢地產(chǎn)生塑性變形，稱為蠕變現(xiàn)象，最后零件甚至破壞斷裂。碳鋼溫度高于300℃、合金鋼高于400℃時必須考慮蠕變的影響。返回2.4金屬材料加工藝性能金屬材料的工藝性能是指在選用金屬材料制造機(jī)械零件的過程中，采用某種加工方法的難易程度，加工方法包括液態(tài)成型(鑄造)、塑性加工(冷熱塑性加工)、焊接、切削加工和熱處理等方法，